行星能自然的靠它们自己不用任何智力或技术创造核能，地球已经做到了：17亿年前

STARTS WITH A BANG — SEPTEMBER 1, 2022

Ethan Siegel

 

从在奥克洛地区中人类弄成的主矿，其中一个自然反应堆经由一个分支是可获得的，如这里图示。目前大型铀矿床大约17亿年前经历了断续核裂变数十万年。这块黄色的岩石是氧化铀。

(Credit: Robert D. Loss (Curtin U.); US Dept. of Energy)

关键要点

为了制造一个铀基核反应堆，目前自然发生的U-235的量太低；我们不得不浓缩我们发现的来有足够大的U-235/U-238比。

但是U-235的两个全半衰期的17亿年前有远更大的丰度：足以在合适的条件下触发一个自我维持的核反应。

这些条件自然的存在于17亿年前的西非加蓬的奥克洛矿山。拥有古代核反应的自然地点现在已经被发现了17个：地球的第一个核反应堆的证据。

如果你在狩猎外星人智力，从他们的跨宇宙活动寻找一个确凿的签名你会有一些选择。你可以寻找一种智能无线电广播，就像人类在20世纪开始发射的类型一样。你可以寻找全行星改造的离子，比如当你以足够高的分辨率观看地球时人类文明显示的一样。你可以在夜间寻找人工照明，就像我们的城市、城镇和渔业展示的一样，从太空是可以看到的。

或者，你可能会寻找一种技术成就，比如在一个核反应堆中创造像反中微子一样的粒子。毕竟，这就是我们第一次怎样在地球上探测到中微子（或反中微子）。但如果我们采取了最后一个选择，我们可能愚弄我们自己。地球自然的早在人类从来存在之前创造了一个核反应堆。

反应堆核实验RA-6（阿根廷共和国6）进军，显示来自比水中光更快的粒子发射的切伦科夫辐射特征。泡利在1930年首次假设的中微子（或更准确地说是反中微子）被从1956年一个类似的核反应堆中探测到。(Credit: Centro Atomico Bariloche/Pieck Dario)

为了在今天创造一个核反应堆，我们需要的第一个成分是反应堆级燃料。例如，铀以两种不同的自然发生的同位素U-238（有146个中子)和U-235(有143个中子）而来。改变中子的数量不会改变你的元素的类型，但确实改变你的元素多稳定的。对于U-235和U-238，它们都经由一个放射性链式反应衰变，但U-238平均寿命大约是6倍长。

到你到了今天的时候，U-235只占所有天然发生铀的0.72%，这意味着它必须被浓缩到至少3%的水平以获得一个可持续的裂变反应，或者需要一个特殊的设置（涉及重水介质）。但17亿年前对U-235是两个多全半衰。回到那时在古代地球上，U-235约占所有铀的3.7%：足以让一个发生来反应。

这张图显示当一个浓缩的U-235样品被一个自由中子轰击时能发生的连锁反应。一旦U-236被形成，它迅速的分裂开，释放能量并产生三个额外的自由中子。如果这个反应跑开，我们得到一枚炸弹；如果这个反应能被控制，我们能建造一个核反应堆。(Credit: Fastfission/Wikimedia Commons)

在不同的砂岩层之间，在你到达构成地壳大部分的花岗岩基岩之前，你往往发现矿床的矿脉，富含一种特定的元素。有时这些是极端有利可图，比如当我们在地下发现金矿脉时。但有时，我们在那里发现其他更稀有的物质比如铀。在现代反应堆中，浓缩铀产生中子，在水的存在下，水起一个像一个调节器一样的作用，这些中子的一部分会撞击另一个U-235原子核，造成一个裂变反应。

随原子核分裂开，它产生更轻的子原子核，释放能量并产生三个额外的中子。如果条件合适，该反应将触发额外的裂变事件，导致一个自我维持的反应堆。

奥克洛和奥克罗博恩多铀矿床的地质横截面，显示这个核反应堆的位置。最后一个反应堆（第17号）位于奥克洛东南约30公里的班贡贝。核反应堆被发现在FA砂岩层中。(Credit: D.J. Mossman et al., Deep Geologic Repositories, 2008)

17亿年前，两个因素一起来了，来创造一个天然核反应堆。首先在花岗岩的基岩层之上，地下水自由的流动，在水流入铀丰富的地区之前只是一个地质学和时间的问题。用水分子包围你的铀原子，这是一个坚实的开始。

但要获让你的反应堆以一种自我维持的方式正常好你需要一个额外的成分，你要这些铀原子被溶解在水中。为了使铀被溶解于水氧气必须存在。幸运的是，在第一次地球有记录的大灭绝大氧事件之后进化了有氧的、利用氧的细菌。用地下水中的氧气，每当水淹没矿脉时溶解的铀会是可能的，甚至可能已经创造特别富含铀的物质。

1972年发现的奥克洛的一些原始样本。这是一块来自奥克洛矿的高级矿石，其中U-235的含量比所有其他有关U-238的天然样品神秘的更少0.4%，之前的某种裂变反应已经耗尽了U-235的证据。(Credit: Ludovic Ferrière/Natural History Museum of Vienna)

当你有一个铀裂变反应时，最终会产生一些重要的签名。

作为反应产物产生了氙元素的五种同位素。

剩余的U-235/U-238的比例应被降低，因为只有U-235是可裂变的。

U-235当分裂时产生大量的钕(Nd)，有一个特定的重量：Nd-143。正常情况下，Nd-143与其他同位素的比例约为11-12%；看到一个增强表明铀裂变。

钌以一个99（Ru-99）的重量应付。自然发生的丰度约为12.7%，裂变能增加到约27-30%。

1972年，法国物理学家弗朗西斯·佩兰在西非加蓬的奥克洛矿藏中发现了总共17个矿藏，包含了所有这四个签名。

这里是位于西非加蓬的奥克洛天然核反应堆的所在地。在地球深处，在尚未被探索的地区，我们可能还会找到其他天然核反应堆的例子，更不用说在其他世界上可能发现的。(Credit: U.S. Department of Energy/Sandia National Laboratories)

奥克洛裂变反应堆是这里地球上唯一已知的天然核反应堆的例子，但其中它们发生的机制引导我们相信这些可以在许多地方发生，也可能发生在宇宙的其他地方。当地下水淹没一个富含铀的矿床时，U-235分裂开的裂变反应能发生。

地下水起一个中子调节器的作用，允许（平均）多于三个中子之一个中子与U-235核碰撞，继续这个链式反应。

随反应只持续一个很短的时间量，地下水调节这些中子沸腾掉，这完全停止反应。然而，随着时间不用裂变发生，反应堆会自然冷却下来，允许地下水返回。

奥克陆天然核反应堆周围的地形提出地下水插入到一层基岩上方，可能是一个富铀矿能够自发裂变的必要成分。(Credit: Curtin University/Australia)

通过检查变得被困在铀矿矿床周围矿物岩层中的氙同位素的浓度，人类就像一个杰出的侦探一样，已经能够来计算出反应堆的特别时间线。在大约近似30分钟的时间里，反应堆将进入临界，裂变继续进行直到水沸腾掉。在接下来的约150分钟内，将会有一个冷却期，在此之后水就会再次淹没矿石，裂变会重新开始。

这个三个小时的周期将重复它自己数十万年，直到越发减少的U-235量达到了一个足够低的水平，低于这个约3%的量，一个连锁反应不能再被维持。在这一点上，U-235和U-238所能做的就是放射性衰变。

宇宙中有许多恒星和其他过程产生了许多自然的中微子签名。有一段时间，人们认为会有一个独特而明确的来自反应堆反中微子的信号。然而，现在我们知道这些中微子也可能被自然的产生。(Credit: IceCube Collaboration/NSF/University of Wisconsin)

观察今天的奥克洛场所，我们发现天然的U-235丰度被从它们的正常比例耗尽了0.44%-to-0.60%。虽然通常发现的自然丰度是难以置信的低为0.720%U-235，比较到99.28%U-238（仅观察铀），Oklo样品只显示U-235丰度从0.7157%到0.7168%：都远低于0.72%的正常值。

以某种形式出现的核裂变是对这种差异的唯一自然发生的解释。结合氙、钕和钌证据，得出这是一个地质学创造的核反应堆的结论几乎是不可避免的结论。

该岩石收藏品的馆长卢多维奇·费里埃尔在维也纳的自然历史博物馆持着奥克洛反应堆的一块东西。截至2019年，一个来自奥克洛反应堆的富集矿石样本现在正在维也纳博物馆永久展出。(Credit: L. Gil/IAEA)

有趣的是，我们能从观察这里发生的核反应得出许多科学发现结论。

我们能通过观察各种氙沉积物确定断/续周期的时间尺度。

在过去的17亿年里，铀矿脉的大小和它们已经迁移的量（以及其他受反应堆影响的物质）能给我们一个怎样储存和处理核废料的有用的、自然的类似物。

在奥克洛场所发现的同位素比率允许我们来测试各种核反应的速率，并确定是否它们（或驱动它们的基本常数）随着时间已经变化。

基于这一证据，我们能确定核反应的速率以及因此决定它们常数的值，在17亿年前和今天是一样的。

最后，也许最重要的是理解我们星球的自然历史，我们能用各种元素的比例来决定地球的年龄以及它的在创造时的组成。铅同位素和铀同位素水平教我们在一个今天45亿岁老的地球上在一个大约17亿年前的约200万年时间区上产生了5.4吨裂变产物，

这张来自美国宇航局钱德拉x射线天文台的图像显示仙后座超新星残骸中不同元素的位置。包括硅（红色）、硫（黄色）、钙（绿色）和铁（紫色），以及所有这些元素的覆盖层（顶部）。一个超新星残骸将爆炸中创造的重元素驱逐回宇宙。虽然这里没有显示它，但超新星中U-235和U-238的比率约为1.6：1，表明地球从大体古老而不是最近创造的原始铀诞生。(Credit: NASA/CXC/SAO)

当一颗超新星爆炸时以及当中子星合并时U-235和U-238被产生。从检查超新星，我们知道我们实际上以大约为60/40比例创造比U-238更多的U-235。如果地球上的铀都被从一颗超新星创造，这个超新星将在地球形成60亿年之前发生。

在任何世界上，只要一个近地表铀矿存在有大于3/97比例的U-235对U-238的富脉，被水介导，一个自发的和自然的核反应能发生。这些条件可能发生在任何时候，只要足够少的相对于U-235的衰变时间的半衰期已经通过，从另一个世界发现“反应堆反中微子”可能表明一个自然核反应容易的就像它可以表明一个智能的技术先进的文明创造他们自己的核反应一样。

在地球上的一个偶然地点，在十多个例子中，我们有压倒性的一个核裂变的历史的证据。在自然能量的游戏中，从来不要再把核裂变从名单上去掉。

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/earth-natural-nuclear-reactor/